钻柱的疲劳破坏与腐蚀

钻柱的疲劳破坏与腐蚀一、钻柱的疲劳破坏类型现场大量资料说明，疲劳破坏是钻柱破坏最常见的形式。①大多数钻杆的破坏发生在距接头12m以内的地方。②钻杆的破坏常与钻杆内表面有严重的腐蚀斑痕有关。③从钻杆的外表面开始发生的破坏，一般与钻杆表面的伤痕有关。④由于钻铤本体的厚度大，因而钻铤的破坏通常发生在螺纹连接处。分析钻杆疲劳破坏的原因，可分为以下三种基本类型。1、纯疲劳破坏钻杆在没有任何明显的其他原因下而发生的疲劳破坏，叫做纯疲劳破坏。一般钻杆在工作时承受拉伸、压缩、扭转和弯曲交变应力的同时作用，其中拉伸和弯曲应力的交替是最危险的，易导致钻杆疲劳。钻柱下部受压部分的钻铤长度不够时，钻杆受压更易发生弯曲，在扭转条件下，钻杆易产生疲劳破坏；在定向井或井斜大的井段迫使钻杆弯曲，特别在“狗腿”井段中，钻杆疲劳破坏的危险性更大；在海洋钻井中，由于钻井船或钻井平台随波浪起伏摇摆也会造成钻柱弯曲，导致疲劳破坏。2、伤痕疲劳破坏钻杆在弯曲状态下自转时，每边都要经受拉伸和压缩的交替作用，如果钻杆表面存在缺陷。文—一缺院将不断开启与关团，使缺除逐渐扩大。缺院除了具有初始变形之外，还会产生应力集中。所以，钻杆表面的各种缺陷都会影响钻杆的疲劳极限。当缺陷底部的应力达到一定程度时，缺陷将逐渐扩大，最后剩下的实体材料不足以承受整个负荷而发生破坏。钻井中造成钻杆伤痕的主要原因有：钻杆上打的钢印，电弧烧焊，大钳、卡瓦的咬伤和其他刻痕等。如果伤痕位于离接头0.5m以内，就可能成为疲劳破坏的核心。周向尖锐的伤痕易引起应力集中，导致钻杆破坏。3、腐蚀疲劳破坏钻杆长期在腐蚀介质中工作时，由于腐蚀造成截面积减小或形成小的腐蚀坑。通常，腐蚀可分为化学腐蚀和电化学腐蚀两大类。钻杆表面与腐蚀介质产生化学反应而引起的腐蚀，称为化学腐蚀。化学反应中将产生另一种可以脱落的产物，因而使管材截面积减小，管壁变薄，使钻杆承载能力降低，导致钻杆疲劳破坏。电化学腐蚀是指金属与电介质溶液接触，产生电化学作用引起的腐蚀。由于在钻井液中存在电解质物质，电离出的离子与钻杆发生电化学反应，形成微电池。反应过程中，在铁离子被带走的部位形成电化学腐蚀疤痕，引起应力集中，最后导致疲劳破坏。实际上，化学腐蚀和电化学腐蚀往往是交织在一起的，这就会加剧疲劳破坏的发生。影响化学腐蚀的因素很多，但最重要的是温度和钻井液的pH值。温度升高，化学反应和电化学反应的速度加快，从而使腐蚀速度加快。pH值是控制腐蚀疲劳的主要因素，当钻进液从中性变为酸性时，腐蚀速度会迅速增大；而钻进液从中性变为碱性时，腐蚀速度会缓慢降低。般认为，钻井液的pH值低于9.5会降低钻柱的疲劳寿命。二、钻铤的疲劳破坏与钻杆的疲劳破坏不一样，由于钻铤本体的刚度比接头处大，接头处强度较弱且应力集中，因此大部分钻铤破坏发生在接头处。当钻铤受到弯曲力矩作用时，在外螺纹根部和内螺纹底部会出现应力集中，在弯曲交变应力作用下，在应力集中区的螺纹根部易发生断裂;上扣时没上紧，台肩面没有密合，或由于弯曲力矩使台肩面分离，外螺纹受不到台肩面的支撑，会在外螺纹根部出现应力集中，同时也由于螺纹的切口效应，此处容易产生疲劳破坏；螺纹部分的密封是靠台肩面来实现的，如果紧扣扭矩不够，在台肩面之间就可能发生钻井液泄漏，造成螺纹严重冲蚀，甚至被刺穿与疲劳破坏。三、钻柱疲劳破坏的预防1、如果已知或怀疑井下存在有严重“狗腿”，应尽量把“狗腿”破坏掉，以减少钻柱的弯曲。2、应根据预计最大钻压，合理确定钻铤长度，使钻铤在钻井液中的重量大于最大钻压，保证钻杆始终处于拉伸状态。3、尽可能降低钻杆工作的应力，并采用减振器以降低交变应力的最大值。4、在钻柱的繁重工作段和弯曲井段采用厚壁钻杆以延长整个钻柱的使用寿命。5、控制钻井液对钻杆的腐蚀性，可在钻杆内壁涂以塑料树脂等保护层。6、经常检查起下钻工具，如吊钳、卡瓦等，使其工作状态保持完好，防止在钻杆上造成伤痕。7、定期检查钻杆，发现有裂纹及壁厚变薄等情况时应及时修复或更换。8、存放钻杆时，应用淡水充分清洗钻杆及接头的内外表面，以清除各种盐类及其他腐蚀物质，并用防锈化合物涂抹螺纹和接头台肩部分。9、为了防止钻铤螺纹部分的疲劳破坏，应使外、内螺纹之间有一个适当的强度比值，在钻铤的适当部位加工应力减轻槽，以减轻应力集中，延长钻铤的使用寿命。10、上扣时必须上紧，使台肩面受到充分的弹性压缩，这样，当钻铤在井眼内受到弯曲时，台肩面就不会分离，并可避免发生钻井液泄漏。四、硫化氢对钻柱的危害金属管材在含硫化氢的液体介质中工作一段时间后突然出现裂缝，发生严重的脆性破坏。这种破坏是由于氢渗（氢原子渗入）作用和腐蚀作用的结果。由于硫化氢在这种破坏中起主要作用，所以称为硫化氢应力破坏，也叫做“氢脆”。钻井过程中，硫化氢会因各种原因渗入钻井液，例如，所钻地层含硫流体的侵入，某些含硫原油或水被用于钻井液系统，某些钻井液处理剂在高温时的热分解等。硫化氢与水生成弱酸，像其他酸类一样能与钻柱材料发生反应而腐蚀钻柱。这种腐蚀既可使钻柱截面积变小、强度降低，也可能产生点蚀，在钻柱表面形成腐蚀小坑或裂缝，从而造成应力集中，导致钻柱的疲劳破坏。更主要的是，由于在腐蚀过程中不断产生氢，而钻井液中的硫化氢将会使氢原子形成氢分子的速度减慢，使部分氢原子进入钢材晶格内部，因而产生很大的内应力，结果使金属脆化或发生破裂。1、影响氢脆破坏的有关因素①钢材的强度越大，硬度越高，越容易发生氢脆破坏。②硫化氢的含量越大，原子氢的浓度越高，氢脆破坏越严重。③钻井液的pH值对硫化氢含量的影响比较大。试验证明，pH值在6～10范围内，钻井液中硫化氢的含量随pH值的增加而减小。所以可以适当提高钻井液的pH值而降低由硫化氢引起的氢脆破坏。④钻柱所受荷载越大，应力越高，越容易发生氢脆破坏。⑤温度升高会引起腐蚀速度和扩散速度增加。2、防止硫化氢破坏的措施①采用抗氢脆的钢材。②尽量防止硫化氢侵入钻井液。③根据井下可能遇到的温度，避免使用在此温度下可能分解的钻井液处理剂。尽量不使用含硫原油及含有硫化物的钻井液添加剂。④如果不能